JP2019215190A - 静電アクチュエータおよび物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】制御性の向上を図ることが可能な静電アクチュエータおよび物理量センサを提供する。【解決手段】静電アクチュエータは、固定電極１と、固定電極１に対向するように配置された可動電極２と、を備える。可動電極２は、固定電極１および固定部３に対して変位可能とされており、可動電極２と固定部３との間に吸引力が働くようになっており、固定電極１および可動電極２に電圧を印加したときの可動電極２の非線形振動が、可動電極２と固定部３との間に働く吸引力によって低減される。【選択図】図１

Description

本発明は、静電アクチュエータおよび物理量センサに関するものである。

ジャイロセンサ等では、固定電極と可動電極とを備え、電極間に働く静電気力によって可動電極を振動させる静電アクチュエータが用いられる。静電アクチュエータとしては、各電極が可動電極の駆動方向に対して垂直に配置されたスクイーズド型のものや、各電極が可動電極の駆動方向に平行な突出部を有する櫛歯電極とされたスライド型のものが用いられる（例えば、特許文献１参照）。

スクイーズド型の静電アクチュエータでは、可動電極が対向面に垂直な方向に変位するため、可動電極の変位によって極板間距離が変化し、これに伴い静電気力も変化する。すなわち、可動電極の振幅の変化が入力電力に対し非線形となる。これに対して、スライド型の静電アクチュエータでは、静電気力が可動電極の変位量によらず一定とみなすことができ、振幅の変化が入力電力に比例する。そのため、スライド型の静電アクチュエータは、スクイーズド型の静電アクチュエータに比べて、可動電極の振幅の制御が容易である。

特開２０１４−６２３８号公報

しかしながら、いずれの静電アクチュエータにおいても、入力電圧を大きくして可動電極の振幅を大きくすると、ハードスプリング効果により共振周波数が変化し、入力電圧の周波数に対して振幅の解が複数存在するようになるため、振動が不安定になる。したがって、ジャイロセンサの高感度化のために振幅を大きくすると、振幅を安定化させるために複雑な制御が必要になる。

本発明は上記点に鑑みて、制御性の向上を図ることが可能な静電アクチュエータおよび物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、固定電極（１、２２ｂ、２３ｂ）と、固定電極に対向するように配置された可動電極（２、３０）と、を備え、電極間に働く静電気力によって可動電極を振動させる静電アクチュエータであって、可動電極は、固定電極および固定部（３、２０）に対して変位可能とされており、可動電極と固定部との間に吸引力が働くようになっており、固定電極および可動電極に電圧を印加したときの可動電極の非線形振動が、可動電極と固定部との間に働く吸引力によって低減される。

このように、可動電極と固定部との間に吸引力が働くようにすることで、固定電極および可動電極に電圧を印加したときの可動電極の非線形振動を低減することができる。そして、可動電極の非線形振動を低減することで、入力電圧の周波数に対して可動電極の振幅の解が一意に決まるような振幅の範囲が広がり、可動電極の振幅の制御性が向上する。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる静電アクチュエータの平面図である。 図１のII部分の拡大図である。 入力電圧と可動電極の振幅との関係を示す図である。 入力電圧の周波数と可動電極の振幅との関係を示す図である。 第２実施形態にかかる静電アクチュエータの平面図である。 第３実施形態にかかる振動型角速度センサの平面図である。 第３実施形態にかかる振動型角速度センサの作動を示す平面図である。 第３実施形態にかかる振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子を示す平面図である。 他の実施形態にかかる静電アクチュエータの平面図である。 他の実施形態にかかる静電アクチュエータの平面図である。 他の実施形態にかかる静電アクチュエータの平面図である。 他の実施形態における静電アクチュエータの平面図である。 他の実施形態における静電アクチュエータの平面図である。 他の実施形態における静電アクチュエータの平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の静電アクチュエータは、固定電極１と、可動電極２と、固定部３と、梁部４とを備えている。本実施形態の静電アクチュエータは、支持層、犠牲層、活性層が順に積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工して形成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。支持層、活性層はＳｉで構成され、犠牲層はＳｉＯ_２で構成される。固定電極１、可動電極２、固定部３、梁部４は、ＳＯＩ基板に対してエッチング等の処理を施すことにより形成されている。なお、静電アクチュエータがＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ等で構成されていてもよい。

固定電極１および固定部３は、ＳＯＩ基板の活性層の一部によって構成されており、支持層および犠牲層に対して固定されている。本実施形態では、可動電極２と固定部３との間に吸引力が働くようになっている。具体的には、固定部３の一部が固定電極３ａとされており、後述するように、可動電極２と固定電極３ａに電圧が印加されることで、可動電極２と固定電極３ａとの間に静電気力が働く。固定電極１と固定電極３ａは、別体として構成されている。固定電極１、固定電極３ａはそれぞれ第１、第２固定電極に相当する。

可動電極２および梁部４は、ＳＯＩ基板の活性層の一部によって構成されている。可動電極２および梁部４の下部においては犠牲層が除去されており、可動電極２および梁部４は支持層に対して変位可能とされている。

本実施形態では、固定電極１、可動電極２、固定電極３ａは棒状とされており、各電極の断面は矩形状とされている。固定電極３ａは可動電極２に対して固定電極１とは反対側に配置されており、各電極は、固定電極１が可動電極２の一面に対向し、固定電極３ａが可動電極２の他面に対向するように、平行に延設されている。可動電極２および固定電極３ａのうち互いに対向する面は、平坦面とされている。

可動電極２の端部は梁部４に連結されている。ＳＯＩ基板には、図示しないばね等が形成されており、梁部４は、ばね等を介して、活性層のうち支持層および犠牲層に固定された部分に支持されている。

静電アクチュエータを構成するＳＯＩ基板の支持層、犠牲層、活性層の積層方向、および、固定電極１等の延設方向の両方に垂直な方向を第１方向とし、固定電極１等の延設方向に平行な方向を第２方向とする。可動電極２および梁部４は、第１方向に変位可能とされている。

固定電極１には、可動電極２に対向する面から第１方向に突出した突出部１ａが形成されている。また、可動電極２には、固定電極１に対向する面から第１方向に突出した突出部２ａが形成されている。突出部１ａ、突出部２ａは、少なくとも一方が複数形成されており、第２方向において交互に並んでいる。本実施形態では、突出部１ａおよび突出部２ａがそれぞれ複数形成され、第２方向において等間隔に並んでおり、固定電極１、可動電極２が櫛歯状とされている。

固定電極１と可動電極２とで構成される電極対を電極対５とする。電極対５は第１電極対に相当する。電極対５に電圧が印加され、可動電極２に静電気力が働くと、可動電極２は、前述したように第１方向に変位する。これにより、可動電極２が変位しても突出部１ａと突出部２ａとの間の距離が維持される。このように、電極対５によってスライド型の静電アクチュエータが構成されている。

可動電極２と固定電極３ａとで構成される電極対を電極対６とする。電極対６は第２電極対に相当する。電極対６によってスクイーズド型の静電アクチュエータが構成されており、電極対６に電圧が印加されて可動電極２に静電気力が働き、可動電極２が第１方向に変位すると、可動電極２と固定電極３ａとの間の距離が変化する。

本実施形態における可動電極２の振幅の制御方法について説明する。真空の誘電率をε_０とし、突出部１ａと突出部２ａの数をｎ_０とし、固定電極１と可動電極２との間に印加される電圧をＶ_１とする。図２に示すように突出部１ａと突出部２ａとの距離をｄ_０とし、固定電極１と可動電極２の厚さをｈとし、可動電極２の第１方向への変位をｘとする。なお、固定電極１から固定電極３ａに向かう向きをｘの正の向きとする。固定電極１と可動電極２との間に働く静電気力Ｆ_１は、電圧Ｖ_１および変位ｘによって変化するが、ｘによるＦ_１の変化は微小であり、これを無視するとＦ_１は数式１で表される。

また、可動電極２と固定電極３ａとの対向面積をＳとし、可動電極２と固定電極３ａとの間に印加される電圧をＶ_２とし、Ｖ_１＝Ｖ_２＝０のときの可動電極２と固定電極３ａとの距離をｇとすると、可動電極２と固定電極３ａとの間に働く静電気力Ｆ_２は、数式２で表される。このように、静電気力Ｆ_２は、電圧Ｖ_２と変位ｘとによって変化し、可動電極２と固定電極３ａとの距離が短いほど大きくなる。電圧Ｖ_２の揺らぎ等によって変位ｘが非線形に変動するため、スクイーズド型の電極対６では可動電極２の振幅の制御が複雑になる。

そこで本実施形態では、電圧Ｖ_１を直流電圧Ｖ_ｄｃと交流電圧Ｖ_ａｃｃｏｓωｔとの和として、電圧Ｖ_１により変位ｘを制御する。電圧Ｖ_１をこのように設定することで、Ｖ_ｄｃＶ_ａｃと可動電極２の振幅との関係は図３に示すようになる。このように、本実施形態では、Ｖ_ｄｃＶ_ａｃに対して振幅が線形に変化するため、振幅の制御が容易である。

また、可動電極２と梁部４とを含む可動部の質量をｍとし、減衰係数をｃとし、図示しないばねのばね定数をｋとし、可動電極２に働く力をＦとすると、可動電極２の運動方程式は数式３で表される。

数式３において、βは、犠牲層からリリースされた活性層の材料や形状によって定まる係数である。ｘ^３の項が有限の値を持つため、可動電極２は非線形振動する。具体的には、可動電極２の共振曲線は、例えば図４の一点鎖線で示すように高周波数側に傾き、これにより振動が不安定になる。

このように共振曲線が高周波数側に傾くハードスプリング効果は、電極構造に依存せず、電極の変位量が大きくなったときに見られる。しかしながら、スクイーズド型の静電アクチュエータでは、電極間の距離が小さいほど静電気力が大きくなるため、入力バイアス電圧を大きくすることにより、共振曲線が低周波数側に傾くソフトスプリング効果を起こすことができる。本実施形態では、スライド型の電極対５の駆動状態におけるハードスプリング効果を、スクイーズド型の電極対６におけるソフトスプリング効果によって低減することにより、図４の一点鎖線で示すような非線形振動を低減する。

例えば、Ｖ_１＝Ｖ_ａｃｃｏｓωｔ＋Ｖ_ｄｃ、Ｖ_２＝ｖ_ａｃｃｏｓω’ｔ＋ｖ_ｄｃとし、数式３のＦに電極対５および電極対６における静電気力を代入すると、可動電極２の運動方程式は数式４で表される。なお、数式４において、Ｄ_ｉ＝ｌ（１／ｇ）^ｉ−１であり、図１に示すように、ｌは可動電極２と固定電極３ａの対向する部分の長さである。

固定電極３ａの配置パラメータと入力電圧を調整することで、数式４におけるｘ^３の係数を０にすることができる。これにより、図４の実線で示すように、共振曲線の高周波数側への傾きが０となる。

以上説明したように、本実施形態では、電極対５への入力電圧で可動電極２を駆動することで、図３に示すように、電極対５への入力電力に対して可動電極２の振幅が線形に変化する。また、電極対５に電圧を印加したときの可動電極２の非線形振動が、電極対６の電極間に働く力によって低減される。これにより、可動電極２の振幅の制御性が向上する。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して固定電極の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、図５に示すように、固定電極１と固定電極３ａとが梁部７によって連結され、一体に構成されている。このような構成では電極対６に印加される電圧Ｖ_２が電極対５に印加される電圧Ｖ_１と同様に周期的に変化し、可動電極２の運動方程式は数式５で表される。

数式５における非線形項の係数が０になるように各電極を設計することで、本実施形態においても、第１実施形態と同様に可動電極２の非線形振動を低減することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。ここでは、静電アクチュエータを振動型角速度センサに適用した例について説明するが、静電アクチュエータを他の物理量センサに適用してもよい。

本実施形態で説明する振動型角速度センサは、物理量として角速度を検出するためのセンサであり、例えば車両の上下方向に平行な中心線周りの回転角速度の検出に用いられるが、勿論、振動型角速度センサを車両用以外に適用することもできる。

図６は、本実施形態にかかる振動型角速度センサの平面模式図である。振動型角速度センサは、図６の紙面法線方向が車両の上下方向と一致するようにして車両に搭載される。振動型角速度センサは、板状の基板１０の一面側に形成されている。基板１０は、ＳＯＩ基板とされている。基板１０の支持層を支持基板１１とし、活性層を半導体層１２とする。振動型角速度センサは、半導体層１２側をセンサ構造体のパターンにエッチングしたのち埋込酸化膜を部分的に除去し、センサ構造体の一部がリリースされた状態にすることで構成される。

なお、本実施形態では、半導体層１２の表面に平行で互いに垂直な２方向をそれぞれ第１方向、第２方向とし、半導体層１２の表面に垂直な方向を第３方向とする。

半導体層１２は、固定部２０と可動部３０および梁部４０とにパターニングされている。固定部２０は、少なくともその裏面の一部に埋込酸化膜が残されており、支持基板１１からリリースされることなく、埋込酸化膜を介して支持基板１１に固定された状態とされている。可動部３０および梁部４０は、振動型角速度センサにおける振動子を構成するものである。可動部３０は、その裏面側の埋込酸化膜が除去されており、支持基板１１からリリースされた状態とされている。梁部４０は、可動部３０を支持すると共に角速度検出を行うために可動部３０を第１方向および第２方向において変位させるものである。これら固定部２０と可動部３０および梁部４０の具体的な構造を説明する。

固定部２０は、可動部３０を支持するための支持用固定部２１、駆動用電圧が印加される駆動用固定部２２、２３、および、角速度検出に用いられる検出用固定部２４、２５を有した構成とされている。

支持用固定部２１は、例えば、固定部２０のうちの他の部分（駆動用固定部２２、２３および検出用固定部２４、２５）や可動部３０などのセンサ構造体の周囲を囲むように配置され、その内壁において梁部４０を介して可動部３０を支持している。ここでは、支持用固定部２１がセンサ構造体の周囲全域を囲む構造を例に挙げているが、その一部のみに形成された構造であっても構わない。

駆動用固定部２２、２３は、後述するように外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間に配置された駆動用固定部２２と、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間に配置された駆動用固定部２３とによって構成されている。これら駆動用固定部２２、２３は、基部２２ａ、２３ａと櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂを備えた構成とされている。駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、第１固定電極に相当する。

基部２２ａ、２３ａは第１方向に延設されており、基部２２ａ、２３ａに対して複数の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂが接続されている。そして、基部２２ａ、２３ａに備えられた図示しないボンディングパッドに接続されるボンディングワイヤを通じて、外部からＤＣ電圧に加算したＡＣ電圧（駆動用電圧）が印加されるようになっている。基部２２ａ、２３ａに対して所望のＡＣ電圧を印加することで、各駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂにも所望のＡＣ電圧が印加される。

駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、後述するように外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４に備えられた櫛歯状の駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、第２方向に延設された複数の支持部２２ｃ、２３ｃと、各支持部２２ｃ、２３ｃから第１方向に延設された複数の櫛歯状電極２２ｄ、２３ｄにより構成されている。そして、駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、このような構造体が基部２２ａ、２３ａの第２方向両側において第１方向に沿って複数個並べられた構成とされている。

検出用固定部２４、２５は、後述するように内側駆動錘３３、３４に備えられた検出錘３５、３６内に配置されている。検出用固定部２４、２５は、基部２４ａ、２５ａと検出用固定電極２４ｂ、２５ｂとを有した構成とされている。

基部２４ａ、２５ａには、図示しないボンディングパッドが備えられており、このボンディングパッドに接続されるボンディングワイヤを通じて、外部への信号取り出しを行うことが可能となっている。検出用固定電極２４ｂ、２５ｂは、基部２４ａ、２５ａから第１方向に延設された複数の櫛歯状の電極であり、検出錘３５、３６に備えられた櫛歯状の検出用可動電極３５ｂ、３６ｂの各櫛歯と対向配置されている。

可動部３０は、角速度の印加に応じて変位する部分であり、外側駆動錘３１、３２と内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６とを有した構成とされている。可動部３０は、外側駆動錘３１、検出錘３５を備える内側駆動錘３３、検出錘３６を備える内側駆動錘３４および外側駆動錘３２が順に第２方向に並べられたレイアウトとされている。つまり、検出錘３５、３６が内部に備えられた内側駆動錘３３、３４が２つ内側に並べられていると共に、それら２つの内側駆動錘３３、３４を挟み込むように両外側にさらに外側駆動錘３１、３２を配置した構造としている。

外側駆動錘３１、３２は、質量部３１ａ、３２ａと駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂとを有した構成とされている。

質量部３１ａ、３２ａは、第１方向に延設されている。質量部３１ａは、駆動用固定部２２の基部２２ａと対向配置され、質量部３２ａは、駆動用固定部２３の基部２３ａと対向配置されている。この質量部３１ａ、３２ａを錘として、外側駆動錘３１、３２が第１方向に移動可能とされている。

支持用固定部２１の一部は、質量部３１ａ、３２ａの端部に向かって第１方向に延設され、固定電極２１ａとされている。固定電極２１ａは４つ形成されており、各固定電極２１ａの端面は、質量部３１ａ、３２ａの第１方向の端面に対向している。本実施形態では、質量部３１ａ、３２ａと固定電極２１ａとによってスクイーズド型の電極対が構成されており、可動部３０、固定電極２１ａはそれぞれ可動電極、第２固定電極に相当する。

駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂは、駆動用固定部２２、２３に備えられた櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂは、第２方向に延設された複数の支持部３１ｃ、３２ｃと、各支持部３１ｃ、３２ｃから第１方向に延設された複数の櫛歯状電極３１ｄ、３２ｄにより構成されている。そして、駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂは、このような構造体が質量部３１ａ、３２ａのうち駆動用固定部２２、２３側において第１方向に複数個並べられた構成とされている。このように、駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂと、駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂとで、スライド型の電極対が構成されている。

内側駆動錘３３、３４は、質量部３３ａ、３４ａと駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂとを有した構成とされている。

質量部３３ａ、３４ａは、四角形状の枠体形状とされており、この質量部３３ａ、３４ａを錘として、内側駆動錘３３、３４が第１方向に移動可能とされている。四角形状で構成された各質量部３３ａ、３４ａの相対する二辺がそれぞれ第１方向と第２方向に平行とされ、第１方向に平行とされた辺のうちの一辺が駆動用固定部２２、２３の基部２２ａ、２３ａと対向配置されている。具体的には、質量部３３ａ、３４ａの第１方向に平行とされた辺のうちの一辺が駆動用固定部２２、２３の基部２２ａ、２３ａと対向配置され、その基部２２ａ、２３ａと対向配置された一辺に、駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂが備えられている。

駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂは、駆動用固定部２２、２３に備えられた櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂは、第２方向に延設された複数の支持部３３ｃ、３４ｃと、各支持部３３ｃ、３４ｃから第１方向に延設された複数の櫛歯状電極３３ｄ、３４ｄにより構成されている。そして、駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂは、このような構造体が質量部３３ａ、３４ａのうち駆動用固定部２２、２３側において第１方向に複数個並べられた構成とされている。

検出錘３５、３６は、質量部３５ａ、３６ａと検出用可動電極３５ｂ、３６ｂとを有した構成とされている。

質量部３５ａ、３６ａは、四角形状の枠体形状とされており、後述する梁部４０のうちの検出梁４１を介して内側駆動錘３３、３４の内壁面に支持されている。検出錘３５、３６は内側駆動錘３３、３４と共に第１方向に移動させられるが、質量部３５ａ、３６ａを錘として、検出錘３５、３６が第２方向に移動可能な構成とされている。検出用可動電極３５ｂ、３６ｂは、質量部３５ａ、３６ａの内壁面から第１方向に延設された複数の櫛歯状の電極であり、検出用固定部２４、２５に備えられた櫛歯状の検出用固定電極２４ｂ、２５ｂの各櫛歯と対向配置されている。

梁部４０は、検出梁４１と、駆動梁４２および支持部材４３を有した構成とされている。

検出梁４１は、内側駆動錘３３、３４の質量部３３ａ、３４ａの内壁面のうち第２方向と平行とされた辺と検出錘３５、３６の質量部３５ａ、３６ａの外壁面のうち第２方向と平行とされた辺とを接続する梁である。検出梁４１は、第２方向において変位可能とされていることから、この検出梁４１の変位に基づいて検出錘３５、３６が内側駆動錘３３、３４に対して第２方向に移動可能となっている。

駆動梁４２は、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を連結すると共に、これら外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４の第１方向への移動を可能とするものである。一方の外側駆動錘３１、一方の内側駆動錘３３、他方の内側駆動錘３４および他方の外側駆動錘３２が順番に並べられた状態で駆動梁４２によって連結されている。

具体的には、駆動梁４２は、第１方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、第１方向において、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を挟んだ両側に一本ずつ配置されている。各駆動梁４２は、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４に接続されている。駆動梁４２と外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４とは直接接続されていても良いが、例えば本実施形態では駆動梁４２と内側駆動錘３３、３４とを連結部４２ａを介して接続している。

支持部材４３は、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６を支持するものである。具体的には、支持部材４３は、支持用固定部２１の内壁面と駆動梁４２との間に備えられており、駆動梁４２を介して上記各錘３１〜３６を支持用固定部２１に支持する。

支持部材４３は、回転梁４３ａと支持梁４３ｂおよび連結部４３ｃとを有した構成とされている。回転梁４３ａは、第１方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、その両端に支持梁４３ｂが接続されていると共に、支持梁４３ｂと反対側の中央位置に連結部４３ｃが接続されている。この回転梁４３ａは、センサ駆動時に連結部４３ｃを中心としてＳ字状に波打って撓む。支持梁４３ｂは、回転梁４３ａの両端を支持用固定部２１に接続するものであり、本実施形態では直線状部材とされている。この支持梁４３ｂは、衝撃などが加わった時に各錘３１〜３６が第２方向に移動することを許容する役割も果たしている。連結部４３ｃは、支持部材４３を駆動梁４２に接続する役割を果たしている。

以上のような構造により、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６がそれぞれ２つずつ備えられた一対の角速度検出構造が備えられた振動型角速度センサが構成されている。

続いて、このように構成された振動型角速度センサの作動について、図７および図８を参照して説明する。

まず、振動型角速度センサの基本動作時の様子について図７を参照して説明する。駆動用固定部２２、２３に対してＤＣ電圧に加算したＡＣ電圧を印加することにより、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４との間に電位差を発生させると、その電位差に基づいて第１方向に静電気力が発生する。この静電気力に基づいて、各駆動錘３１〜３４を第１方向に振動させる。

このとき、駆動用固定電極２２ｂ、駆動用可動電極３１ｂ、駆動用可動電極３３ｂの配置により、図７に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３とが第１方向において互いに逆位相で振動させられるようにしている。また、駆動用固定電極２３ｂ、駆動用可動電極３２ｂ、駆動用可動電極３４ｂの配置により、図７に示すように、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４とが第１方向において互いに逆位相で振動させられるようにしている。さらに、２つの内側駆動錘３３、３４が第１方向において逆位相で振動させられるようにしている。これにより、振動型角速度センサは、駆動モード形状にて駆動されることになる。

なお、このときには、駆動梁４２がＳ字状に波打つことで各錘３１〜３４の第１方向への移動が許容されるが、回転梁４３ａと駆動梁４２とを接続している連結部４３ｃの部分については振幅の節（不動点）となり、殆ど変位しない構造にしてある。

次に、振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子について図８を参照して説明する。上記した図７のような基本動作を行っている際に振動型角速度センサに第３方向の軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力により、図８に示すように検出錘３５、３６が第２方向へ変位する。この変位により、検出用可動電極３５ｂと検出用固定電極２４ｂとによって構成されるキャパシタの容量値や、検出用可動電極３６ｂと検出用固定電極２５ｂとによって構成されるキャパシタの容量値が変化する。

このため、検出用固定部２４、２５のボンディングパッドからの信号取り出しに基づいてキャパシタの容量値の変化を読み取ることにより、角速度を検出することができる。例えば、本実施形態のような構成の場合、２つの角速度検出構造それぞれから取り出した信号を差動増幅してキャパシタの容量値の変化を読み取ることが可能であるため、より正確に角速度を検出することが可能となる。このようにして、本実施形態の振動型角速度センサにより、印加された角速度を検出することができる。

スライド型の電極対とスクイーズド型の電極対に、第１実施形態と同様に電圧を印加すると、本実施形態では、可動電極の運動方程式は数式６で表される。

固定電極２１ａ、駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂ、可動部３０の形状等を調整し、数式６におけるｘ^３の係数を０にすることにより、可動部３０の共振曲線の高周波数側への傾きを０にすることができる。

このように、本実施形態においても、スライド型の電極対とスクイーズド型の電極対とを組み合わせて用いることで、第１実施形態と同様に可動電極の振幅の制御性が向上する。これにより、振動型角速度センサが上記のように作動する際に、可動電極の振幅を高精度に制御することが可能となり、角速度の検出精度が向上する。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、固定電極３ａのうち可動電極２に対向する面が凹形状とされ、これに対応するように、可動電極２のうち固定電極３ａに対向する面が凸形状とされていてもよい。例えば、図９に示すように、固定電極１、可動電極２、固定電極３ａが、第１方向の一方側に向かって凸となるように屈曲した形状とされていてもよい。

また、固定電極１、可動電極２、固定電極３ａのうち互いに対向する部分が、全体として、第１方向に平行な軸に対して対称な形状とされていれば、突出部１ａ、突出部２ａが等間隔に並んでいなくてもよい。例えば、図９に示す構成では、固定電極１等が、固定電極１等の中心を通る第１方向に平行な軸に対して対称な形状であれば、中央部における突出部１ａと突出部２ａとの距離と、両端部における突出部１ａと突出部２ａとの距離とが異なっていてもよい。

また、図１０に示すように、固定電極３ａが屈曲した形状とされ、可動電極２のうち固定電極３ａに対向する面が凸形状とされ、固定電極１が棒状とされていてもよい。また、図９、図１０に示す例において、固定電極３ａ等が円弧状に湾曲していてもよい。

また、固定電極３ａが、可動電極２に対して固定電極１と同じ側に配置されていてもよい。例えば、図１１に示すように、棒状の電極の中央部が櫛歯状の固定電極１とされ、両端部が固定電極３ａとされ、可動電極２のうち固定電極１に対向する中央部が櫛歯状とされ、両端部の固定電極３ａに対向する面が平坦面とされていてもよい。また、図１１において、固定電極１と固定電極３ａとが別体として構成されていてもよい。

また、静電アクチュエータが図１等に示す構成を複数備えていてもよい。図１に示す構成が図１の紙面上下方向にｎ個配置された場合には、Ｄ_ｉ＝ｎｌ（１／ｇ）^ｉ−１となる。

また、電極対６の電極間に働く静電気力以外の力によって可動電極２の非線形振動を低減してもよい。例えば、図１２に示すように、可動電極２および固定部３のうち互いに対向する面に磁石８、９を形成し、可動電極２に形成された磁石８と固定部３に形成された磁石９との吸引力によって可動電極２の非線形振動を低減してもよい。

また、上記第３実施形態において、図１３に示すように、固定電極２１ａのうち質量部３１ａ、３２ａに対向する面に、スリット２１ｂが形成されていてもよい。また、図１４に示すように、固定電極２１ａおよび質量部３１ａ、３２ａのうち互いに対向する部分が櫛歯状とされ、櫛歯の端部と、この端部に対向する部分とがスクイーズド型の電極対とされていてもよい。図１３、図１４に示す構成では、質量部３１ａ、３２ａが変位したときに、固定電極２１ａと質量部３１ａ、３２ａとの間の気体が、スリット２１ｂや櫛歯の隙間から抜けるため、質量部３１ａ、３２ａの変位に対する気体の粘性の影響を低減することができる。

１ 固定電極
２ 可動電極
３ 固定部
２０ 固定部
２２ｂ 駆動用固定電極
２３ｂ 駆動用固定電極
３０ 可動部

Claims (16)

1. 固定電極（１、２２ｂ、２３ｂ）と、前記固定電極に対向するように配置された可動電極（２、３０）と、を備え、電極間に働く静電気力によって前記可動電極を振動させる静電アクチュエータであって、
   前記可動電極は、前記固定電極および固定部（３、２０）に対して変位可能とされており、
   前記可動電極と前記固定部との間に吸引力が働くようになっており、
   前記固定電極および前記可動電極に電圧を印加したときの前記可動電極の非線形振動が、前記可動電極と固定部との間に働く吸引力によって低減される静電アクチュエータ。
2. 前記固定電極を第１固定電極（１、２２ｂ、２３ｂ）として、
   前記固定部の一部が第２固定電極（３ａ、２１ａ）とされており、
   前記第１固定電極と可動電極とによって第１電極対（５）が構成されており、
   前記第２固定電極と可動電極とによって第２電極対（６）が構成されており、
   前記第１電極対に電圧を印加したときの前記可動電極の非線形振動が、前記第２電極対の電極間に働く静電気力によって低減される請求項１に記載の静電アクチュエータ。
3. 前記第１固定電極と前記第２固定電極は、別体として構成されている請求項２に記載の静電アクチュエータ。
4. 前記第１固定電極と前記第２固定電極は、一体に構成されている請求項２に記載の静電アクチュエータ。
5. 前記第１固定電極には、前記可動電極に向かって突出した第１突出部（１ａ）が形成されており、
   前記可動電極には、前記第１固定電極に向かって突出した第２突出部（２ａ）が形成されており、
   前記第１突出部および前記第２突出部は、少なくともいずれか一方が複数形成され、突出方向に垂直な方向において並んでおり、
   前記可動電極は、前記第１突出部および前記第２突出部の突出方向に変位可能とされており、
   前記可動電極が該突出方向に変位することによって、前記第２電極対の電極間距離が変化する請求項２ないし４のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
6. 前記第１突出部および前記第２突出部がそれぞれ複数形成されることによって、前記第１固定電極および前記可動電極がそれぞれ櫛歯状とされている請求項５に記載の静電アクチュエータ。
7. 前記第１固定電極、前記第２固定電極、前記可動電極は、前記第１突出部、前記第２突出部の突出方向に平行な軸に対して対称な形状とされている請求項５または６に記載の静電アクチュエータ。
8. 前記第１突出部と前記第２突出部は、等間隔に並んでいる請求項５ないし７のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
9. 前記第２固定電極と前記可動電極のうち互いに対向する面は、平坦面とされている請求項２ないし８のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
10. 前記第２固定電極のうち前記可動電極に対向する面は、凹形状とされており、
    前記可動電極のうち前記第２固定電極に対向する面は、凸形状とされている請求項２ないし８のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
11. 前記第２固定電極は、前記可動電極に対して、前記第１固定電極とは反対側に配置されている請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
12. 前記第２固定電極は、前記可動電極に対して、前記第１固定電極と同じ側に配置されている請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
13. 前記可動電極は、前記固定部に対向するように配置されており、
    前記可動電極および前記固定部のうち互いに対向する面に磁石（８、９）が形成されており、
    前記固定電極および前記可動電極に電圧を印加したときの前記可動電極の非線形振動が、前記固定部に形成された磁石と前記可動電極に形成された磁石との吸引力によって低減される請求項１に記載の静電アクチュエータ。
14. 駆動錘（３３、３４）を駆動振動させているときに物理量が印加されると、検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）が検出錘（３５、３６）と共に変位することで、前記検出用可動電極と検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）との間の距離が変化することに基づいて物理量を検出する物理量センサであって、
    請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の静電アクチュエータを備える物理量センサ。
15. 前記固定部のうち前記可動電極に対向する面に、スリット（２１ｂ）が形成されている請求項１４に記載の物理量センサ。
16. 前記固定部および前記可動電極のうち互いに対向する部分が櫛歯状とされている請求項１４に記載の物理量センサ。

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